Hur vatten löser och transporterar protoner är en grundläggande fråga för både kemister och biologer och är avgörande för vår förståelse av processer som fotosyntes och cellulär andning.

Ett team av forskare vid University of Chicago använde bredband 2-D IR-spektroskopi för att avslöja protonbeteende när syror som HCl dissocierar i vatten. Även om allmänna kemi -läroböcker vanligtvis lär att protonen associerar med vatten som en hydroniumjon H ₃ O+, de upptäckte att protonen är starkt bunden mellan två vattenmolekyler och att strukturerna övervägande är asymmetriska.

"Vi bygger ut förutsägelser som görs genom beräkningsmodellering, inklusive Greg Voths arbete, professor i kemi vid University of Chicago, som är ledande inom utveckling av beräkningsmodeller för protonöverföring i rent vatten och biologiska system, "sa Joseph Fournier, biträdande professor i kemi vid Washington University i St. Louis och tidigare Arnold O. Beckman postdoktor vid University of Chicago. "Dock, de experimentella och tekniska utmaningarna för att studera protonen i vatten har lämnat dessa modeller okontrollerade. Vi anser att denna studie ger den mest omfattande experimentella synen på den komplicerade karaktären av hur vatten interagerar med protoner. "

Studien möjliggjordes genom framsteg inom området 2-D IR-spektroskopi som utvecklats i gruppen Andrei Tokmakoff, professor i kemi vid University of Chicago och medförfattare till pappret. 2-D IR använder korta infraröda laserpulser för att fånga ögonblicksbilder av molekylernas strukturer innan de kan röra sig. När du väl kunde ta en ögonblicksbild, forskare fann att det fanns många strukturella variationer möjliga när en proton delades mellan två vattenmolekyler, och att dessa strukturer kvarstår längre än man tidigare trott.

"Till exempel, protonen kan vara i mitten eller lite skev. Eller så kan de två vattenmolekylerna ha olika avstånd från varandra, sa Fournier.

Dessa data kommer nu att användas för att förbättra beräkningsmodeller, vilket hjälper forskare kvantitativt att bestämma arten av dessa strukturella fördelningar och förstå varför dessa strukturer kvarstår längre än man tidigare trott. Dessutom, medförfattare och forskarstuderande forskare William Carpenter tänker studera hur strukturerna utvecklas i takt med att protonen rör sig från en vattenmolekyl till nästa.

Fournier planerar också att tillämpa protontransportforskningen i katalytiska processer.

"Många kemister försöker utveckla katalysatorer som efterliknar vad växter gör - dela vatten för nya rena energikällor, "sa han." Katalytiska processer som vattensplittring förlitar sig på flera protonöverföringshändelser. Att förstå hur detta fungerar på molekylär nivå kan hjälpa oss att använda vatten som bränsle. "